Dè a th’ ann an lùth sònraichte?

Bidh lùth sònraichte a’ tomhas na tha de lùth air a stòradh gach aonad de stuth no siostam. Air a chur an cèill ann an joules gach cileagram (J/kg) no watt -uair gach cileagram (Wh/kg), bidh am meatrach seo a’ dearbhadh dè an ìre de lùth a ghabhas cleachdadh a th’ ann am tomad sònraichte, ga dhèanamh riatanach airson coimeas a dhèanamh eadar teicneòlasan stòraidh lùtha agus tuigse fhaighinn air comasan stuthan.

Tha lùth sònraichte gu bunaiteach eadar-dhealaichte bho dhlùths lùtha, ged a bhios na teirmean gu tric troimh-chèile. Fhad ‘s a tha dùmhlachd lùtha a’ tomhas lùth gach aonad meud (Wh / L), tha lùth sònraichte a ’cuimseachadh gu sònraichte air tomad. Tha an t-eadar-dhealachadh seo gu mòr cudromach ann an tagraidhean far a bheil cuingealachaidhean cuideam a’ stiùireadh co-dhùnaidhean dealbhaidh-bho bhàta-fànais gu electronics so-ghiùlain gu carbadan dealain.

Tha am fiosaig air cùl lùth sònraichte a’ toirt a-steach an dàimh eadar lùth a tha air a stòradh agus an tomad a dh’ fheumar gus a chumail. Ann am bataraidhean, tha seo a’ toirt a-steach an lùth bho ath-bheachdan ceimigeach air a roinn leis an tomad iomlan de electrodan, electrolyte, dealadairean, agus cas. Airson connadh, tha e a’ riochdachadh an teas a thèid a leigeil ma sgaoil aig àm losgaidh an coimeas ri meud connaidh.

Specific Energy

Tha bataraidhean lithium-ionan a’ sealltainn carson a tha lùth sònraichte cudromach ann an teicneòlas an latha an-diugh. Bidh ceallan ian lithium-an-dràsta a’ coileanadh lùths sònraichte eadar 250-270 Wh/kg, a’ leigeil le fònaichean sgairteil ruith airson uairean a thìde agus carbadan dealain a’ siubhal ceudan mhìltean. An coimeas ri sin, chan eil bataraidhean searbhag luaidhe traidiseanta a’ lìbhrigeadh ach 30-50 Wh / kg, a’ mìneachadh carson a chaidh an cur nan àite gu ìre mhòr ann an tagraidhean so-ghiùlain a dh’ aindeoin an cosgais nas ìsle.

Bidh innleachdan o chionn ghoirid a’ putadh nan crìochan sin nas fhaide. Bidh bataraidhean stàite cruaidh ann an leasachadh a’ gealltainn lùths sònraichte nas àirde na 350 Wh/kg, agus tha siostaman meatailt lithium- adhartach bho chompanaidhean leithid Amprius air 400 Wh/kg a nochdadh ann an tagraidhean sònraichte itealain. Bidh na leasachaidhean sin ag eadar-theangachadh gu dìreach gu ùine ruith inneal nas fhaide no raon carbaid leudaichte gun cuideam a chuir ris.

Tha lùth sònraichte bataraidhean an urra ri grunn nithean: stuthan electrode, ceimigeachd cealla, agus èifeachdas dealbhaidh. Bidh catodes beairteach nicil ag àrdachadh stòradh lùtha ach tha dùbhlain seasmhachd ann. Bidh anodes silicon a’ tabhann comas nas àirde na grafait traidiseanta ach bidh iad a ’faighinn eòlas air leudachadh meud aig àm cosgais. Tha gach roghainn dealbhaidh a’ riochdachadh malairt eadar lùth sònraichte agus feartan coileanaidh eile leithid beatha baidhsagal, sàbhailteachd agus cosgais.

Bidh connadh fosail a’ cumail suas lùths sònraichte gu math nas àirde na bataraidhean. Tha timcheall air 12,700 Wh / kg (46 MJ / kg) ann an gasoline, agus tha dìosail a’ ruighinn 13,000 Wh / kg. Tha seo a’ mìneachadh carson, a dh’aindeoin deicheadan de adhartas bataraidh, gu bheil connadh leaghan fhathast làmh an uachdair ann an itealain agus còmhdhail slaodadh fada far a bheil cuideam air leth cudromach.

Tha hydrogen a’ nochdadh cùis inntinneach le lùth sònraichte de 33,300 Wh/kg- faisg air trì tursan nas àirde na gasoline. Ach, tha an dùmhlachd gu math ìosal a’ feumachdainn an dàrna cuid teannachadh cuideam àrd no fuarachadh cryogenic, a’ cur tomad siostam a lùghdaicheas lùth sònraichte practaigeach gu mòr. Mar an ceudna tha lùth sònraichte àrd aig gas nàdurrach gach aonad tomad ach tha feum air siostaman stòraidh trom.

Ann am beathachadh, bidh lùth sònraichte a 'dearbhadh dùmhlachd caloric. Bidh geir a’ toirt seachad timcheall air 38 kJ / g (9 Cal / g), barrachd air a dhà uiread na tha de phròtainean agus gualaisg aig 16 - 17 kJ / g (4 Cal / g gach). Tha seo a’ mìneachadh carson a tha barrachd chalaraidhean gach gram ann am biadhan le geir àrd - is e lùth sònraichte a’ macronutrient a tha os cionn na h-àireamhachadh.

Bidh susbaint uisge a’ toirt buaidh mhòr air lùth a tha sònraichte do bhiadh leis gu bheil uisge a’ cur tomad gun a bhith a’ cur ri lùth. Is dòcha nach bi ach 0.5-1 kJ/g ann an glasraich ùra, fhad ‘s a tha cnothan tiormaichte nas àirde na 25 kJ/g, a dh’ aindeoin gu bheil an dà chuid biadhan stèidhichte air planntrais.

Tha dealbhadh carbaid dealain a’ tionndadh timcheall air cuingealachaidhean lùtha sònraichte. Tha pasgan bataraidh 75 kWh a’ cleachdadh cheallan le 250 Wh/kg le cuideam 300 kg, a’ riochdachadh timcheall air 15-20% de chuideam carbaid. Leigeadh àrdachadh lùth sònraichte bataraidh gu 350 Wh/kg seo sìos gu 214 kg, a’ saoradh 86 kg airson comas luchd-siubhail no raon leudaichte.

Bidh an lughdachadh cuideam seo a’ sgaoileadh tro dhealbhadh carbaid. Feumaidh carbadan nas aotroime nas lugha de lùth airson luathachadh agus streap bheanntan, motaran nas lugha, agus siostaman crochaidh nach eil cho làidir. Tha gnìomhachas nan càraichean ag amas air lùth sònraichte bataraidh de 400- 500 Wh/kg gus carbadan dealain a dhèanamh farpaiseach le cuideam càr gasoline, nach fheum ach 50-60 kg de chonnadh a ghiùlan airson raon coltach ris.

Bidh itealain agus soithichean-fànais an aghaidh riatanasan lùtha sònraichte nas cruaidhe. Bidh a h-uile cileagram a thèid a thogail gu orbit a’ cosg mìltean de dhollairean ann an connadh, a’ dèanamh bataraidhean lùth sònraichte àrd riatanach airson saidealan agus soithichean-fànais. Bidh rovers Mars NASA a’ cleachdadh cheallan ian lithium- a chaidh a thaghadh gu sònraichte airson an cothlamadh de lùth sònraichte agus earbsachd ann an teòthachd anabarrach.

Tha leasachadh itealain dealain an urra ri adhartas bataraidh. Tha teicneòlas ion lithium-an-dràsta a’ comasachadh drones beaga agus carbadan gluasaid adhair bailteil goirid, ach tha feum aig itealain roinneil air lùths sònraichte nas àirde na 500 Wh/kg gus a bhith comasach. Bidh companaidhean a tha an tòir air itealain dealain a’ cumail sùil gheur air leasachadh bataraidh, leis gu bheil eadhon leasachaidhean lùtha beaga sònraichte a’ fuasgladh dealbhadh itealain ùra.

Bidh luchd-saothrachaidh fònaichean sgairteil a’ cothromachadh lùth sònraichte an aghaidh factaran eile leithid astar cosgais agus sàbhailteachd. Bidh fònaichean an latha an-diugh a’ cleachdadh cheallan timcheall air 250-270 Wh/kg, a’ comasachadh obrachadh fad an latha ann an innealan le cuideam 150-200 gram. Tha àrdachadh lùth sònraichte a’ ceadachadh beatha bataraidh nas fhaide no dealbhadh nas taine, nas aotroime - an dà chuid air am meas le luchd-cleachdaidh.

Tha cuingealachaidhean co-chosmhail aig bataraidhean laptop ach le prìomhachasan eadar-dhealaichte. Tha cuideam 300-400 gram anns a’ bhataraidh laptop àbhaisteach agus a’ stòradh 50-100 Wh, a’ cleachdadh cheallan le lùth sònraichte coltach ri fònaichean ach air an ùrachadh airson diofar ìrean sgaoilidh agus feartan teirmeach.

Tha lùth sònraichte agus cumhachd sònraichte a’ riochdachadh tomhasan coileanaidh sònraichte. Bidh cumhachd sònraichte (W/kg) a’ tomhas dè cho luath ‘s as urrainn do shiostam lùth a lìbhrigeadh, fhad’ s a tha lùth sònraichte a’ tomhas na tha de lùth iomlan a bhios e a’ stòradh. Mar as trice bidh bataraidhean air an ùrachadh airson lùth sònraichte àrd ag ìobairt cumhachd sònraichte, agus a chaochladh.

Tha bataraidhean lithium-iarann fosfáit (LFP) a 'nochdadh a' mhalairt seo. Bidh iad a’ tabhann lùth sònraichte nas ìsle (120-160 Wh/kg) na roghainnean beairteach nicil ach a’ lìbhrigeadh cumhachd sònraichte nas àirde agus beatha rothaireachd nas fheàrr. Bidh innealan cumhachd a’ cleachdadh cheallan àrd-chumhachd ged a tha iad a’ toirt seachad nas lugha de ùine ruith, oir tha lìbhrigeadh sruth gu leòr airson obrachadh motair a’ toirt prìomhachas thairis air comas iomlan.

Tha an cuilbheart Ragone a’ taisbeanadh an dàimh seo gu grafaigeach, a’ sealltainn lùth sònraichte air aon axis agus cumhachd sònraichte air an taobh eile. Tha diofar cheimigean bataraidh ann an diofar roinnean, a’ nochdadh nach eil aon theicneòlas air leth math aig gach cuid. Feumaidh tagraidhean bataraidhean a thaghadh a fhreagras ris na feumalachdan aca - lùth àrd airson ùine fhada, cumhachd àrd airson spreadhaidhean goirid, no dealbhadh co-rèiteachaidh airson cleachdadh measgaichte.

Tha lùth sònraichte a’ riochdachadh dìreach aon mheatrach coileanaidh. Faodaidh bataraidh le lùth sònraichte sònraichte fulang le droch bheatha rothaireachd, draghan sàbhailteachd, cosgais àrd, no raon teòthachd cuibhrichte. Tha bataraidhean lithium-a’ nochdadh lùths sònraichte teòiridheach (650 Wh/kg) ach tha dùbhlain mu choinneamh le sgaoileadh pronnasg agus beatha rothaireachd ìosal a chuireas casg air malairt.

Bidh pròiseasan saothrachaidh a’ toirt buaidh air lùth sònraichte practaigeach. Tha an lùth ìre cealla-sònraichte aig ìre cealla nas àirde na luachan ìre a’ phacaid-mar thoradh air tomad a bharrachd bho chuairtean dìon, siostaman fuarachaidh agus eileamaidean structarail. Is dòcha gun lìbhrig cealla a’ coileanadh 270 Wh/kg ach 180-200 Wh/kg aig ìre a’ phacaid - eadar-dhealachadh deatamach do dhealbhadairean siostaim.

Bidh teòthachd a’ toirt buaidh mhòr air lìbhrigeadh lùtha sònraichte. Bidh suidheachaidhean fuar a ’lughdachadh comas bataraidh, gu h-èifeachdach a’ lughdachadh lùth sònraichte aig àm sgaoilidh. Bidh carbadan dealain a’ faighinn eòlas air raon nas lugha sa gheamhradh gu ìre leis nach urrainn dha bataraidhean an làn lùth sònraichte a lìbhrigeadh aig teòthachd ìosal.

Specific Energy

Tha rannsachadh a’ leantainn leasachaidhean lùtha sònraichte tro iomadh dòigh-obrach. Bidh stuthan catod adhartach leithid lithium-nickel-manganese-cobalt-oxide (NMC) le susbaint àrd nicil ag àrdachadh stòradh lùtha aig an dealan-dealanach. Bidh anodan stèidhichte air silicon a’ stòradh barrachd lithium na grafait, ag àrdachadh comas. Bidh gach adhartas a’ putadh lùth sònraichte nas àirde fhad ‘s a bhios luchd-rannsachaidh ag obair gus faighinn thairis air dùbhlain co-cheangailte.

Bidh electrolytes stàite solid a’ gealltainn buannachdan susbainteach le bhith a’ comasachadh anodan lithium meatailt, a bheir seachad lùth sònraichte mòran nas àirde na grafait. Bidh companaidhean a’ toirt a-steach QuantumScape, Solid Power, agus Samsung a’ leantainn malairteachadh, ag amas air lùths sònraichte de 400-500 Wh / kg. Bheireadh soirbheachas cruth-atharrachadh air carbadan dealain agus electronics luchd-cleachdaidh.

Tha bataraidhean lithium-adhair a’ riochdachadh comas nas fhaide san ùine le lùth teòiridheach sònraichte faisg air 11,140 Wh/kg-an coimeas ri gasoline. Ach, tha grunn chnapan-starra teicnigeach a’ toirt a-steach seasmhachd electrolyte, cugallachd gualain dà-ogsaid, agus beatha baidhsagal cuibhrichte gan cumail cuingealaichte ri deuchainn-lannan. Tha bataraidhean adhair lithium{7}}a’ fuireach bliadhnaichean neo deicheadan air falbh.

Gus tuigsinndè a th’ ann am bataraidhean lithium?agus carson a tha smachd aca air stòradh lùth an latha an-diugh, tha lùth sònraichte a’ toirt seachad am prìomh fhreagairt. Mheudaich leasachadh teicneòlas ian lithium anns na 1990n lùth sònraichte bataraidh bho 120 Wh/kg ann an ceallan tràth Sony gu còrr air 270 Wh/kg ann an dealbhaidhean gnàthach-barrachd air dùblachadh ann an trì deicheadan.

Bidh diofar sheòrsaichean bataraidh lithium a’ nochdadh diofar ìrean lùtha sònraichte stèidhichte air an ceimigeachd aca. Bidh ceallan lithium cobalt oxide (LCO) a thathas a’ cleachdadh ann am fònaichean a’ coileanadh an lùth sònraichte as àirde ach le beatha rothaireachd cuibhrichte agus draghan sàbhailteachd. Bidh fosfáit iarann litiam (LFP) a’ malairt lùth sònraichte airson sàbhailteachd agus fad-beatha, ga fhàgail nas fheàrr airson busaichean dealain agus stòradh pàipearachd a dh’ aindeoin lùth sònraichte nas ìsle.

Bidh an oidhirp airson lùth sònraichte nas àirde a’ stiùireadh rannsachadh stuthan. Tha stuthan catod a’ dèanamh suas mòran de chuideam cealla, agus mar sin le bhith a’ leasachadh cathodes nas aotroime, nas dùmhaile, bheir sin piseach air lùth sònraichte. Bidh lughdachadh stuthan neo-ghnìomhach-luchd-cruinneachaidh gnàthach, luchd-sgaraidh, pacadh-cuideachd a’ cuideachadh le bhith a’ lughdachadh tomad gun a bhith a’ lughdachadh lùth air a stòradh.

Tha carbadan dealain an latha an-diugh gu mòr an urra ri comasan lùth sònraichte bataraidh lithium. Bidh pasgan bataraidh EV àbhaisteach a’ stòradh 50-100 kWh a’ cleachdadh cheallan le lùth sònraichte 250-270 Wh / kg. Bheir seo comas do 200-400 mìle de raon fhad ‘s a chumas e cuideam bataraidh furasta a riaghladh. Mar a bhios lùth sònraichte ag àrdachadh gu 350-400 Wh / kg, bidh an dàrna cuid raon a ’leudachadh gu co-rèireach no bidh cuideam bataraidh a’ lughdachadh, ag adhartachadh èifeachdas carbaid.

Tha electronics luchd-cleachdaidh san aon dòigh an urra ri lùth sònraichte bataraidh lithium. Bidh fònaichean sgairteil, coimpiutairean-uchd, clàran, agus so-ghiùlain a’ cleachdadh cheallan polymer lithium-ion no lithium- gu sònraichte leis gu bheil an lùth àrd sònraichte aca a’ ceadachadh ùine ruith iomchaidh ann an innealan teann, aotrom. Às aonais buannachdan lùth sònraichte teicneòlas lithium, bhiodh coimpiutaireachd gluasadach an latha an-diugh do-dhèanta.

Bidh lùth sònraichte a’ tomhas lùth gach aonad tomad (Wh / kg), fhad ‘s a tha dùmhlachd lùtha a’ tomhas lùth gach aonad meud (Wh / L). Bidh aplacaidean far a bheil cuideam nas cudromaiche-mar itealain no bagannan droma-a’ toirt prìomhachas do lùth sònraichte. Bidh tagraidhean far a bheil beagan rùm-mar electronics luchd-cleachdaidh ann an pàircean stèidhichte-gu tric a’ toirt prìomhachas do dhlùths lùtha na àite.

Am measg bataraidhean malairteach, tha ceallan ian lithium- adhartach le catodes beairteach nicil an-dràsta a’ coileanadh an lùth sònraichte as àirde aig 250-300 Wh/kg. Tha bataraidhean lithium stàite deuchainneach cruaidh air 400-500 Wh/kg a nochdadh ann an suidheachaidhean obair-lann. Gu teòiridheach bidh bataraidhean lithium-adhair a’ ruighinn 11,140 Wh / kg ach tha iad fada bho bhith gan cleachdadh gu practaigeach.

Bidh gasoline a’ stòradh lùth ann am bannan ceimigeach a thèid an leigeil ma sgaoil nuair a thèid an losgadh le ocsaidean àile. Leis nach eil ocsaidean air a chunntadh ann am meud gasoline, tha an lùth sònraichte aige a’ nochdadh mòran nas àirde (12,700 Wh / kg). Feumaidh bataraidhean an dà chuid connadh agus oxidizer a ghiùlan, a’ cuingealachadh an lùth sònraichte aca. Tha an eadar-dhealachadh bunaiteach seo a’ mìneachadh carson a tha bataraidhean a’ strì ri bhith a’ maidseadh dùmhlachd lùth connaidh fosail.

Chan eil gu feum. Tha lùth sònraichte a’ riochdachadh dìreach aon taobh coileanaidh. Faodaidh beatha baidhsagal truagh, cunnartan sàbhailteachd, cosgaisean àrda, no toradh cumhachd cuibhrichte a bhith aig bataraidhean le lùth sònraichte àrd. Tha am bataraidh as fheàrr an urra ri riatanasan tagraidh-uaireannan bidh dealbhadh lùth sònraichte nas ìsle a’ coileanadh nas fheàrr san fharsaingeachd air sgàth feartan nas fheàrr ann an raointean eile.

Feumaidh tomhas lùth sònraichte modhan deuchainn faiceallach. Airson bataraidhean, tha protocolaidhean àbhaisteach a’ toirt a-steach cosgais iomlan a’ chill, an uairsin ga sgaoileadh aig ìrean sònraichte fhad ‘s a tha iad a’ tomhas lùth lìbhrigidh. Le bhith a’ roinneadh toradh lùtha iomlan le tomad cealla bheir sin lùth sònraichte ann an Wh / kg.

Bidh grunn bhuidhnean a’ cumail suas inbhean airson tomhas lùtha sònraichte. Bidh an Coimisean Electrotechnical Eadar-nàiseanta (IEC) a ’foillseachadh modhan deuchainn a’ dèanamh cinnteach à cunbhalachd thar luchd-saothrachaidh. Faodaidh toraidhean atharrachadh a rèir ìre sgaoilidh, teòthachd, agus modh deuchainn, agus mar sin feumar a bhith a’ tuigsinn luachan lùtha sònraichte gus suidheachaidhean deuchainn a thuigsinn.

Tha tomhas ìre cealla-eadar-dhealaichte bho luachan ìre pacaid-gu mòr. Tha pacaidean bataraidh a’ toirt a-steach electronics riaghlaidh, siostaman fuarachaidh, agus co-phàirtean structarail a chuireas ri tomad gun a bhith a’ stòradh lùth. Pasgan-mar as trice ruigidh lùth ìre sònraichte 65-75% de luachan ìre cealla. Feumaidh luchd-dealbhaidh shiostaman cunntas a thoirt air an lùghdachadh seo nuair a thathar a’ tomhas coileanadh tagraidh.

Specific Energy

Tha leasachaidhean lùtha sònraichte a’ leantainn slighe ro-innseach stèidhichte air feartan stuthan bunaiteach agus adhartasan saothrachaidh. Tha buannachdan mean air mhean a’ leantainn mar a bhios luchd-rannsachaidh a’ dèanamh an fheum as fheàrr de chruthan dealanaich, a’ lughdachadh tomad stuth neo-ghnìomhach, agus a’ leasachadh èifeachdas saothrachaidh. Tha ro-mheasaidhean làithreach a' moladh gun ruig lùths lithium-ion sònraichte 350-400 Wh/kg taobh a-staigh nan deich bliadhna a tha romhainn tro leasachaidhean mean-fhàs.

Feumaidh atharrachaidhean rèabhlaideach ceimigean ùra. Dh'fhaodadh bataraidhean stàite cruaidh leum gu 400-500 Wh/kg ma thèid dùbhlain theicnigeach fhuasgladh. Tha bataraidhean adhair lithium{5}}sulfair agus lithium-a’ gealltainn lùth sònraichte nas àirde buileach ach tha cnapan-starra mòra ann airson leasachadh. Bidh bataraidhean sodium-ion a’ tabhann cosgais nas ìsle aig cosgais lùth sònraichte, ag amas air tagraidhean far a bheil cuideam nas lugha na eaconamachd.

Tha buaidh lùth sònraichte nas àirde a’ leudachadh nas fhaide na tagraidhean follaiseach. Bidh stòradh lùth air sgèile clèithe a’ fàs nas so-dhèanta mar a bhios lùth sònraichte bataraidh a’ fàs nas fheàrr agus cosgaisean a’ dol sìos. Bidh innealan meidigeach so-ghiùlain a’ faighinn obrachadh nas fhaide eadar cosgaisean. Bidh innealan cumhachd a’ fàs nas aotroime gun a bhith ag ìobairt ùine ruith. Tha gach leasachadh mean air mhean ann an lùth sònraichte a’ comasachadh chothroman ùra thar grunn ghnìomhachasan.

Airson còmhdhail dealain gu sònraichte, bidh leasachaidhean lùtha sònraichte a’ stiùireadh uchd-mhacachd le bhith a’ lughdachadh peanas cuideam is cosgais bataraidhean an coimeas ri connadh fosail. Bidh a h-uile àrdachadh 50 Wh / kg ann an lùth sònraichte ag eadar-theangachadh gu timcheall air 15-20% a bharrachd raon carbaid no lughdachadh cuideam co-ionann, a’ luathachadh a ’ghluasaid gu gluasad dealain. Tha gnìomhachas nan càraichean a’ faicinn 400 Wh / kg mar stairsneach a tha a’ dèanamh carbadan dealain farpaiseach a thaobh cuideam agus cosgais le carbadan àbhaisteach thar gach roinn den mhargaidh.

Le bhith a’ tuigsinn lùth sònraichte agus a’ bhuaidh a bheir e, bidh innleadairean, luchd-dealbhaidh agus luchd-cleachdaidh a’ dèanamh cho-dhùnaidhean fiosraichte mu theicneòlasan stòraidh lùtha. Co-dhiù a tha thu a’ taghadh ceimigeachd bataraidh airson toradh ùr, a’ measadh thagraidhean raon charbadan dealain, no a’ tuigsinn carson a tha cuid de thagraidhean fhathast nas fhaide na comasan bataraidh, tha lùth sònraichte a’ toirt seachad co-theacsa riatanach. Mar a bhios rannsachadh a’ putadh a’ mheatrach seo nas àirde, bidh tagraidhean a bha do-dhèanta roimhe seo comasach, a’ leudachadh àite stòradh lùth dealain ann an teicneòlas an latha an-diugh.